Сетевые технологии

1)использование более длинных адресов. Новый размер адреса – наиболее заметное отличие IPv6 от IPv4. Версия 6 использует 128-битные адреса;

2)гибкий формат заголовка. Вместо заголовка с фиксированными полями фиксированного размера (за исключением поля Резерв), IPv6 использует базовый заголовок фиксированного формата плюс набор необязательных заголовков различного формата;

3)поддержка резервирования пропускной способности. В IPv6 механизм резервирования пропускной способности заменяет механизм классов сервиса версии IPv4;

4)поддержка расширяемости протокола. Это одно из наиболее значительных изменений в подходе к построению протокола – от полностью детализированного описания протокола к протоколу, который разрешает поддержку дополнительных функций.

Структура пакета. Для ускорения процесса обработки заголовков IP-пакетов, заголовок IPv6 разделен на две части: основной заголовок (basic header) и один или более необязательных добавочных заголовков (extension headers). Формат основного заголовка показан на рис. 2.3 (основной заголовок выделен жирным контуром) и содержит меньшее количество полей по сравнению с заголовком пакета IPv4. Это означает, что обработка большого числа пакетов будет значительно быстрее только в случае, когда пакеты, содержащие добавочный заголовок, имеют дополнительные поля.

Адрес источника

Адрес назначения

Возможные добавочные заголовки

Данные

51

•заголовок маршрутизации (routing header), который присутствует, если используется маршрутизация на источнике, и содержит список адресов шлюзов, которые необходимо посетить. Адрес назначения в основном заголовке меняется, как только пакет перенаправляется от одного шлюза к следующему;

•заголовок фрагментации (fragment header), использующийся только в случае необходимости передачи данных, размер которых превышает максимальный размер блока данных, передаваемого по сети. При этом источник разбивает данные на несколько пакетов до начала их передачи. Промежуточные узлы не занимаются обработкой полей заголовка фрагментации, эти поля используются только узлом назначения для сборки фрагментированных данных в единое целое;

•заголовок проверки подлинности (authentication header),

который может использоваться для аутентификации источника пакета;

•заголовок секретности (privacy header), присутствующий при передаче данных, для которых необходимо обеспечить безопасность при передаче по сети. Данные при этом шифруются источником, а затем пересылаются в разделе данных этого заголовка.

Адресация в IPv6. Адреса назначения и источника в IPv6 имеют длину 128 бит или 16 байт. Версия 6 обобщает специальные типы адресов версии 4 в следующих типах адресов:

1)Unicast – индивидуальный адрес. Определяет отдельный узел – компьютер или порт маршрутизатора. Пакет должен быть доставлен узлу по кратчайшему маршруту;

2)Cluster – адрес кластера. Обозначает группу узлов, которые имеют общий адресный префикс (например, присоединенных к одной физической сети). Пакет должен быть маршрутизирован группе узлов по кратчайшему пути, а затем доставлен только одному из членов группы (например, ближайшему узлу);

3)Multicast – адрес набора узлов, возможно находящихся в различных физических сетях. Копии пакета должны быть доставлены каждому узлу набора с использованием аппаратных возможностей групповой или широковещательной доставки.

Как и в версии IPv4, адреса в версии IPv6 делятся на классы в зависимости от значения нескольких старших бит адреса. Большая часть классов зарезервирована для будущего применения. Наиболее интересным для практического использования является класс, предназначенный для провайдеров услуг Internet, названный Provider-Assigned Unicast. Адрес этого класса имеет следующую структуру, представленную на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Структура адреса класса Provider-Assigned Unicast

53

Каждому провайдеру услуг Internet назначается уникальный идентификатор, которым помечаются все поддерживаемые им сети. Далее провайдер назначает своим абонентам уникальные идентификаторы и впоследствии использует оба идентификатора при назначении блока адресов абонента. Абонент сам назначает уникальные идентификаторы своим подсетям и узлам этих сетей. Абонент может использовать технику подсетей, применяемую в версии IPv4, для дальнейшего деления поля идентификатора подсети на более мелкие поля.

Описанная схема приближает схему адресации IPv6 к схемам, используемым в территориальных сетях, таких как телефонные сети или сети Х.25. Иерархия адресных полей позволит магистральным маршрутизаторам работать только со старшими частями адреса, оставляя обработку менее значимых полей маршрутизаторам абонентов.

Под поле идентификатора узла требуется выделения не менее 6 байт, для того чтобы можно было использовать в IP-адресах МАС-адреса локальных сетей непосредственно. Для обеспечения совместимости со схемой адресации версии IPv4 в версии IPv6 имеется класс адресов, имеющих 0000 0000 в старших битах адреса. Младшие 4 байта адреса этого класса должны содержать адрес IPv4. Маршрутизаторы, поддерживающие обе версии адресов, должны обеспечивать трансляцию при передаче пакета из сети, поддерживающей адресацию IPv4, в сеть, поддерживающую адресацию IPv6, и наоборот.

Поддержка групповой работы. В дополнение к определению нового поколения IP, была предложена экспериментальная основная сеть (backbone network) с более эффективной поддержкой групповой работы,

получившая название групповой основы (multicast backbone – m-bone).

Групповая работа (мультикастинг) подразумевает рассылку копий всех пакетов, созданных каждым членом группы, всем остальным ее членам. В используемой в настоящее время основной сети множество копий пактов от каждого из узлов приводят к значительному увеличению сетевого трафика, особенно при передаче пакетов, содержащих мультимедиа-информацию.

Для того чтобы сократить эту нагрузку, сначала одна единственная копия группового пакета посылается на коммутирующий узел нового типа,

называющийся групповым маршрутизатором (m-роутером). Для каждого из интерфейсов основной сети существует один такой маршрутизатор, и все они связаны высокопроизводительными каналами, образуя таким образом групповую основную сеть. Для сокращения нагрузки на пропускную способность в случае групповой сессии при создании группы устанавливается дерево маршрутизации между каждым из используемых групповых маршрутизаторов и остальными m-роутерами в группе. В результате, при маршрутизации группового пакета, множество его копий генерируется m-роутером только если он является узлом ветвления в частичном дереве.

Таким образом, мы видим, что стек протоколов TCP/IP не является жестко, раз и навсегда, определенным в своем составе и параметрах.

54

Международными организациями постоянно ведутся работы по его развитию с тем, чтобы он мог наилучшим образом соответствовать требованиям современных телекоммуникационных систем.

3.СЕТИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

3.1.Введение в сетевые коммуникации

Разрозненные, невзаимосвязанные компьютеры способны облегчить работу лишь узкой группе людей. В то же время использование компьютеров порождает серьезные проблемы: как хранить, обрабатывать и передавать общую и взаимосвязанную информацию, как сделать эту информацию общедоступной и непротиворечивой, как поднять эффективность ее использования и обработки. Но дело не только в информации. Например, что делать, если возникла необходимость срочно распечатать документ, а на рабочем месте отсутствует печатающее устройство? Бежать к коллеге и просить его одолжить компьютер или принтер?

Выход один – компьютеры, так же, как и люди, должны общаться при совместной работе. Они должны уметь быстро и безошибочно обмениваться информацией, оперативно реагировать на ее изменение, уметь совместно использовать дорогостоящее оборудование. Одним словом, они должны быть объединены в единый компьютерный коллектив.

Элементы передачи данных. Во всех коммуникационных системах присутствует четыре основных компонента:

1)передатчик – устройство, которое передает данные ( например, это может быть компьютер или терминал). Передатчик также создает данные для передачи;

2)сообщение – однократная передача цифровых данных пользователя между двумя абонентами (например, это может быть таблица, файл базы данных или ответ на вопрос);

3)среда передачи – это то, по чему передается информация из одного места в другое (например, кабель или воздух);

4)приемник – устройство, которое принимает данные (например, это может быть компьютер или цифровое устройство).

Методы передачи. Существуют следующие методы передачи:

–симплексный, полудуплексный и полнодуплексный (или просто дуплексный) режимы передачи;

–параллельная и последовательная передачи;

–асинхронная и синхронная передачи.

Режимы передачи. Три рассматриваемых далее режима передачи определяют направление передачи данных.

1. При симплексном режиме данные передаются только в одном направлении. Используя транспортную аналогию, симплексную передачу

55

можно представить как однонаправленную однополосную дорогу (транспорт движется только в одну сторону и в один ряд). Сейчас такая передача используется на практике редко.

2.Полудуплексный режим обеспечивает поочередную передачу данных в двух направлениях. Он похож на однополосную дорогу, по которой движение может осуществляться в обоих направлениях, но не одновременно, а последовательно.

3.Режим полного дуплекса позволяет передавать данные одновременно в двух направлениях и похож на двухполосную двунаправленную дорогу. При этом режиме используется четырехпроводная линия связи или две полосы частот при частотном разделении каналов.

Параллельная и последовательная передачи. Цифровые данные по проводнику передаются путем смены текущего напряжения (0 – напряжение отсутствует, 1 – напряжение имеется). Эту смену можно осуществлять как на одном проводнике, так и сразу на нескольких.

Параллельная передача характеризуется тем, что группа битов передается одновременно по нескольким проводникам и каждый бит передается по собственному проводнику. Например, все внутренние коммуникации компьютера с его устройствами осуществляются через параллельную передачу. Это быстрый способ передачи, однако для больших расстояний он становится экономически невыгодным не только изза того, что требует значительно больше кабеля, но и по причине взаимных помех проводников.

При последовательной передаче группа битов передается последовательно, один за другим по одной паре проводников. Такая передача медленнее, но при передаче на большие расстояния экономически более выгодна.

Синхронная и асинхронная передачи. Асинхронная передача часто называется старт-стопной передачей. Данные передаются как последовательность нулей и единиц, поэтому приемник должен уметь выделять байты в этом потоке данных. При асинхронной передаче каждый байт обрамляется стартовым и стоповым битами, с помощью которых приемник может разделить один байт от другого. В некоторых случаях на низконадежных линиях связи разрешается использовать несколько таких битов. Однако эти дополнительные биты создают и дополнительные накладные расходы, что снижает эффективную скорость передачи. Асинхронная передача является относительно недорогой, потому что не требует дорогостоящего оборудования. Наибольшее распространение она получила для организации взаимодействия персональных компьютеров.

Синхронная передача, более быстрая, чем асинхронная, передает информацию большими блоками, которые не разделены старт-стопными битами. Эти блоки данных обрамляются специальными управляющими символами, которыми манипулируют сложные модемы. Другие символы несут дополнительную информацию о данных и обеспечивают функцию

56

обнаружения ошибок. Синхронная передача более быстрая и почти безошибочная, но она требует более дорогостоящего оборудования. Синхронная передача используется для взаимодействия между компьютерами и интеллектуальными терминалами.

3.2. Удаленные и локальные коммуникации

Модемные коммуникации. Наиболее распространенными средствами коммуникации компьютеров на больших расстояниях являются модемные коммуникации. Их средой передачи является, как правило, телефонный кабель. Модем – устройство, название которого – это сокращение двух слов "МОдуляция — ДЕМодуляция", что отражает основную функцию устройства. Компьютеры используют цифровую, дискретную информацию, а телефонные линии – аналоговые сигналы, т.е. модулированные частоты в диапазоне человеческого голоса. Модемы преобразуют цифровые сигналы в аналоговые, и наоборот.

Модемы различаются по своему конструктиву, сложности, методу передачи, скорости передачи и типам линий связи. Определяющим фактором для модема является метод передачи: асинхронный или синхронный.

Внутренние и внешние модемы. По своему конструктиву модемы бывают внутренние и внешние. Внутренние модемы (Internal) представляют собой плату, которая вставляется внутрь компьютера или устройства и получает от него электропитание. При включении компьютера автоматически включается и модем. Внешние модемы (External) представляют собой небольшую коробку, которая имеет автономное электропитание. Внешний модем, как правило, имеет световые индикаторы, показывающие его состояние. Такие модемы подключаются к асинхронному последовательному интерфейсу или же к специальной плате внутри компьютера.

Интеллектуальные и неинтеллектуальные модемы. Все модемы являются достаточно сложными коммуникационными устройствами, имеющими определенный "уровень интеллекта". Это находит отражение в их стоимости и выполняемых ими функциях. Модемы, выполняющие в основном только функции модуляции-демодуляции, называются "неинтеллектуальными". Однако модемам, особенно построенным с использованием микропроцессоров, можно поручить выполнение и более сложных функций, например, контроль и коррекцию ошибок, компрессирование данных, шифрование данных и др. Такие модемы называются "интеллектуальными".

Коммутируемые и некоммутируемые модемы. В зависимости от типа линий связи модемы бывают коммутируемые и некоммутируемые. Многие модемы выполняют функции автоматического набора телефонного номера и автоответа, т.е. способны самостоятельно установить

57

(скоммутировать) требуемое соединение. Такие модемы называются коммутируемыми.

Если же модем работает только с одной, специально выделенной для него линией связи или же требует каких-то ручных действий по коммутации линии (т.е. не может сам ее скоммутировать), то такой модем называется некоммутируемым.

Скорость модемов. Скорость модемов определяется как количество бит информации, которое они могут передать за секунду. Поэтому единицей измерения скорости модемов (и не только модемов, но и других компьютерных коммуникаций) является бит в секунду.

Наименьшей скоростью модемов является 300 бит/с, а верхние границы скорости зависят от метода передачи и в настоящее время не превышают 57600 бит/с.

В некоторых случаях скорость является достаточно условным понятием, так как многие интеллектуальные модемы способны самостоятельно изменять скорость при передаче. Они постоянно анализируют уровень возникновения ошибок в линиях связи и, если их много, могут известить друг друга о понижении скорости, и наоборот. Миникомпьютеры и большие машины, как правило, используют синхронные модемы, а микрокомпьютеры – асинхронные.

Дуплексные и полудуплексные модемы. Модемы могут передавать данные в двух режимах: полудуплексном и дуплексном. Это разделение также достаточно условно: некоторые модемы могут работать в дуплексном режиме по выделенным линиям связи и в полудуплексном – по коммутируемым каналам.

Стандарты модемов. Модемы – это достаточно известный класс устройств. Они начали развиваться практически сразу с появлением потребности в компьютерных коммуникациях. Поэтому на данный класс устройств существует достаточно много официальных и промышленных стандартов.

Наиболее полный перечень модемных стандартов имеет Международный консультативный комитет по телефонии и телеграфии – МККТТ (Consultative Commitee for International Teleрhone and Telegraрh – CCITT). Индексы этих стандартов начинаются с буквы V (например, V.22, V.25, V.29, V.32, V34 – наиболее популярные стандарты для модемов).

Большую работу в области стандартизации модемов проводит фирма Bell Laboratories, дочернее предприятие фирмы AT&T. Стандарт Bell 212А по праву является одним из наиболее популярных модемных стандартов.

Другим стандартным типом являются "Хейес-совместимые" (Нaуescomрatible) модемы, интерфейсный протокол работы для которых создала фирма Нaуes Microcomрuter Products. Модемы этого типа рекомендуется использовать для асинхронного взаимодействия персональных компьютеров с использованием интерфейса RS-232C. "Хейессовместимые" модемы являются интеллектуальными модемами с внутренним микропроцессором, реализующими функции автоматического

58

набора и автоматического ответа, имеют несколько диагностических функций (внутренний тест обратной петли), могут работать в дуплексном и полудуплексном режимах. Существуют четыре модификации Хейесмодемов.

Локальные коммуникации. Наиболее распространенными средствами коммуникации компьютеров на небольших расстояниях являются локальные и корпоративные вычислительные сети. Дадим определение некоторых терминов, которые потребуются для понимания приведенной ниже информации.

Подключение средств вычислительной техники к передающему кабелю осуществляется по определённой технологии с помощью специальных устройств, которые называются сетевыми адаптерами. Сетевые адаптеры и другие сетевые компоненты рассотрены в разделе 4.

Очень важным функциональным показателем сети является скорость передачи данных, единица измерения которой бит в секунду. В локальных сетях различают две скорости передачи:

1)скорость передачи данных по основному коммуникационному кабелю. Она имеет постоянное значение для каждого типа сети и не зависит от типа узлов. Именно это значение скорости фигурирует в различных справочниках по локальным сетям (например, эта скорость передачи в сетях типа Ethernet составляет 10 Мбит/с, Arcnet – 2.5 Мбит/с, Token Ring – 4 или 16 Мбит/с);

2)скорость передачи данных между узлами сети. Эта скорость передачи, как правило, значительно меньше ее основной скорости и во многом зависит от условий функционирования узла: скорости процессора, его загрузки, конструкции сетевого адаптера и информационной шины, особенностей операционной системы (ОС) и других факторов.

Информационный сетевой поток (трафик) имеет дискретную природу, логической единицей которого является пакет информации, т.е. вся информация между узлами сети передается в виде специальных пакетов, которые имеют информационные и управляющие поля, содержащие служебную информацию: порядковый номер, контрольную сумму и др. В общем случае сетевое программное обеспечение может иметь несколько различных типов пакетов.

Гомогенные и гетерогенные сети. Потребительские свойства сети во многом зависят от состава поддерживаемых ею аппаратных средств и ОС, которые функционируют в узлах сети. Если вычислительная сеть поддерживает только одну операционную систему и имеет однородный состав узлов, то такая сеть называется гомогенной, или однородной, в противном случае сеть называется гетерогенной, или разнородной.

Среда передачи. Средой передачи современных сетей называют структурированную кабельную систему (СКС) или другие субстанции, служащие для переноса информации от одного узла к другому. Под другими субстанциями понимаются прежде всего инфракрасные и

59

радиоволны. Беспроводные субстанции имеют ограниченную пропускную способность, невыгодны экономически и применяются в случаях, где нет возможности проложить кабельную сеть. СКС представляет собой иерархическую кабельную систему здания или группы зданий и состоит из набора медных и оптических кабелей, кросс-панелей, соединительных шнуров, кабельных разъемов, модульных гнезд и вспомогательного оборудования. Все перечисленные элементы объединяются в единую систему и эксплуатируются в перспективных сетях согласно определенным правилам.

Современные СКС используют следующие типы кабелей: толстый и тонкий (RG58) коаксиальные, экранированные с витыми парами из медных проводников (Shielded Twisted Pair – STP), неэкранированные с витыми парами из медных проводников (Unshielded Twisted Pair – UTP), оптические (Fiber Optic Cable – FOC), коммутируемые и выделенные телефонные линии.

Коаксиальный кабель обеспечивает передачу видеосигналов, надежную защиту от внешних шумов, однако из-за низкой надежности соединений, ограничений по длине и трудностей прокладки в последнее время имеет ограниченное применение.

Кабели на витых парах характеризуются меньшими потерями сигнала на высокой частоте, хорошей помехозащищенностью, реализуют дуплексный режим и имеют низкую стоимость. UTP-кабели представляют собой основное средство связи в локальных сетях из-за низкой стоимости, простоты инсталляции при относительно высокой скорости передачи сигналов. UTP-кабели бывают четырех различных категорий – категорий 3, 4, 5 и 6 и покрывают диапазон передачи данных, в том числе и в высокоскоростных локальных сетях, со скоростью до 155 Мбит/с.

Оптические кабели имеются двух типов – с одно- и многомодовыми волокнами. Кабели первого типа предназначены для передачи данных на бóльшие расстояния, чем многомодовые, имеют меньший диаметр и стоят существенно дороже.

В качестве основного средства передачи данных между территориально рассредоточенными узлами сети используются коммутируемые и выделенные телефонные линии муниципальных инфраструктур. Коммутируемые линии отличает невысокая скорость передачи, плохая помехозащищенность, неустойчивый и негарантированный трафик. Как правило, используются уже существующие коммуникации. Выделенные линии обеспечивают достаточно высокую скорость передачи, лишены перечисленных выше недостатков, однако их инсталляции и аренда требуют значительных затрат.

Усредненные характеристики описанных кабельных систем представлены в табл. 3.1. В таблице приняты следующие обозначения: Вд

– выделенные, Км – коммутируемые, Н – низкая, С – средняя, В – высокая.

Таблица 3.1

60